第八章国外高速铁路信号技术.docx
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第八章国外高速铁路信号技术
第八章国外高速铁路信号技术
第一节日本高速铁路信号技术
新干线自运营至今己30多年，其间无任何人员伤亡事故，这是铁道运输史上的奇迹。
正是新干线的信号安全系统保证了这个奇迹的实现。
新干线的信号设备体系包括许多装置。
其主要的设备有：
①列车速度自动控制系统（ATC）；②调度集中（CTC）；③信号装置；④联锁设备；⑤转辙设备；⑥其他。
新干线的信号安全设备构成概况见图6—8—1。
在新干线30余年的历史中，有些设备随着新干线的建设而不断发展，如ATC设备、CFC设备、运行管理系统（COMTRAC）等，有些设备如轨道电路、转辙设备、联锁设备等无多大改变。
因此，下面重点介绍ATC、CTC、COMTRAC等系统。
北陆新干线是日本最近建成的新干线。
在信号系统方面有些新的特点，但详细资料尚未发表，故将已收集到的资料对比作一介绍。
一、ATC（列车自动控制）系统
1．新干线ATC系统概述
（1）目的
为保证高速安全地行驶，列车必须与前方行驶的列车保持一定的距离以避免追尾事故。
为此，基本方法是把线路以电气的方式分割成一定距离的区段，每个区段内只允许一列列车进入。
既有线路是在各区段的始端设置地面信号机，司机对发出的信号予以确认，并进行必要的操作，以相应的速度进入该区段。
由于新干线以270km／h高速行驶，制动距离很长，远远超出了地面信号机的目视距离。
另外，在需要紧急制动时如果稍有犹豫就可能造成很大的影响。
因此像既有线那样，靠司机确认地而信号以后再进行制动的系统就存在许多问题。
不仅在接近先行列车时，而且在车站的停车和弯道，道岔等必须减速时，也会遇到相同的问题。
为了解决这些问题，保证列车安全行驶，新干线废弃了地面信号机而采用直接将信号显示于驾驶台的车载信号方式，此信号也不用颜色表示，而是直接显示速度的数字。
（2）功能
新干线列车控制系统是采用由ATC（AutomaticTrainControl：
列车自动控制）装置对列车进行速度控制的方式。
如果列车的速度比信号显示的速度快时，将会自动进行制动，当列车的速度降至信号要求的速度时，制动就会自动缓解。
这是该系统的基本功能。
系统优先考虑设备控制，对于发车，加速、时间调整及车站停车，即从30km／h到停车地点的停车操作均是由司机来进行操纵。
在接近先行列车时的ATC动作及车站停车时的ATC动作如图6—8—2和图6—8—3所示。
在山阳新干线，ATC装置通过轨道电路将信号送到列车，列车接收到信号以后，将其显示于驾驶台，270、230、170、120、70、30、0（在500系列车运行时，追加300）等表示各种速度，0为停车信号。
270、230、170、30、0作为基本的速度等级使用。
由于列车经常是122270km／h的速度行车的，所以与先行列车之间的距离最少也要空出3个ATC闭塞分区：
120、70用于弯道、岔道、施工现场等处的速度控制。
随着列车列数的增加，有缩短行车时间间隔的必要，因此把原来30km／h为信号的站内轨道电路分割成两部分，采用了以70km／h为信号进入站台中部的方法。
（3）构成
ATC装置如图6—8—4、图6—8—5所示，由地面和车上装置构成，通过其相互结合来发挥系统功能。
（4）ATC信号收发装置
ATC信号收发装置的基本功能如下所述：
①检测每段轨道电路内有无列车：
②了解有关其他轨道电路的信号；
③了解前方线路的线路条件、道岔的开通方向、联锁装置的动作状态；
④将这些结果及各轨道回路所要的信号发送出去。
作为发挥该功能的手段使用了AF（AudioFrequency：
音频）轨道电路。
AF轨道电路的长度为ATC闭塞分区的1/2~1/3。
之所以如此，是因为如果将2．5~3km长的ATC进路区间作为一个轨道电路，由于信号在电路的途中衰减使信号接收电子降低，会导致信号不能正确地传送到车上。
ATC信号电流按照30~270的各个信号，分配主信号10~36Hz及副信号12~32Hz调制频率，将主信号和副信号组合在一起分别调制到载波上，以载频的信号电流传送出去。
载波如表6—8—1所示，在上行线和下行线分别配以不同的载频频率，以免相互干扰。
在同一条线上使用2种不同的载波，相邻的轨道电路也使用不同的载波，以防止轨道的绝缘损坏事故。
（5）超高速设备
在山阳新干线为了适应300km／h的运行速度，用超高速试验车（500系）进行350km／h的行驶试验。
ATC装置上也增加了300、330、350的信号显示。
但是这个增加的信号由脉冲转发器对500系列进行识别，只在500系列行驶时向地面ATC装置发出允许超高速行车的信息，只对500系列运行前方一定的区间发送300、330、350的信号。
另外，有关列车的进路控制，根据得到的超高速许可信息，比运营列车提前作出前进线路构成的准备，见图6—8—6。
2．新干线ATC系统特点
（1）采用电源同步单边带载频传送方式
新干线的牵引电流高达1000A以上，它含有许多谐波分量（如1000Hz左右的电流可达20A）；考虑到轨道电路的不平衡（5％）和车上接收的不平衡（5％），地面和车上的干扰电流分别可达0．7A和1．4A，采用一般方式的轨道电路难以满足S／N的要求。
电源同步足指所用载频不是固定不变的，是随着电源频率变化而变化。
例如，若采用电网50Hz的20次阶波为载频，当电源有土0．2Hz的变化时，载频则在996~1004Hz范围内变化，与电源频率的变化保持同步。
这种调制方式对以接触网高次谐波分量为主要成分的干扰源具有较强的抵抗能力。
分析表明，采用电源同步单边带载频传送方式，其最大干扰量的允许值可达信号电平的20-30倍（实际设计中按15倍考虑），即电源同步单边带载频传送方式具有很强的抗干扰能力。
采用该方式的另一优点是展宽了信号可使用频率。
不采用电源同步SSB方式时，若载频设为50Hz的20次谐波（1000Hz），按电源土1％考虑，则无高次谐波影响的频带为1010~1039．5Hz。
考虑到信号频率和干扰频率之间保持一定间隔（如l0Hz），则信号可使用频率范围只有l0Hz。
而采用电源同步SSB方式时，信号频率范围可达30Hz，较上述增加了2倍，从而能稳定地传送6个以上的信号。
（2）确保安全的多种ATC停车信号
新干线ATC的停车信号有其独特的一面，按其显示条件分为Ol、O2、O3（在东北，上越新干线增设了O2E）信号。
当然车内信号的显示则是相同的。
O1停车信号与设于地面的P点控制相结合使用。
当列车接收到30信号，并通过控制停车用的P点后，ATC车上信号由30变为停车信号Ol。
这样，有利于提高行车效率。
O2信号是一种无电流的停车信号。
当列车进入到有车区间或轨道电路处落下状态时，后续列车收不到信号而停车，从而确保行车安全。
但以无电流方式作为停车信号存在着严重的缺点，即当列车在无电流区段若收到某速度段的干扰信号时，极易产生错误动作，因而以后采用有电流的O2信号，为区分起见，有电流的O2信号以O2E表示。
O2E信号通过轨道电路传送，通常是在以下情况发送O2E信号：
操作列车防护开关时；
混线检测设备动作；
O3信号发生故障时。
O3信号是为防止列车冒进或越出到下一站而设置。
它没置在进站进路终端或出站进路始端或尽头线终端。
O3信号最初采用单频信号，后发现在采用谐振式接收感应器时，当失谐的不平衡电流增大，车上有可能收到类似O3信号的信息。
为此，东北、上越新干线采用非谐振式接收感应器，O3信号采用调制方式，以提高抗干扰性能。
3．新干线ATC设备的发展
新干线ATC设备已有30余年历史，它经历着不断改型、更新的各个发展阶段。
纵观其发展过程，可以明显看出：
ATC设备是随着电子技术日新月异的发展而发展，，它也随着新于线的动车更换新型对ATC设备提出相应的更新要求而发展。
新干线ATC设备的发展大致可归纳为3个阶段：
第一阶段：
ATC设备的代表类型为ATC—lA和ATC一1B型。
东海道新干线采用的是ATC—lA型，该设备是汇集了当时信号技术的精华，采用了当时的最新电子器件（锗晶体管等）。
山阳新干线（冈山段）则使用了ATC一1B型。
它是根据250km／h列车运行速度和列车夜间运行的要求而研制的，使用了当时最新的硅元器件。
现场统汁表明，采用硅元器件的故障率较使用锗晶体管减少了一个数量级。
ATC—lA和ATC一1B型均为电源同步SSB单载频方式。
第二阶段：
ATC没备的代表类型为ATC—lD型。
这是在建设东北、上越新干线时，根据全国（日本）新干线铁道网整备计划，为实现50Hz电气化牵引的要求而研制的新型ATC设备。
它要求设备能获得众多的满足故障安全要求的信息，并要求有更高的可靠性和安全性，及设备与既有新干线ATC设备有兼容性。
经过详细比较分析，并结合ATC一1A和ATC一1B型的运用经验，决定采用“电源同步单边带（SSB）载频双频组合方式”即ATC一1D型。
1973年12月，日本铁路将ATC一1D型地而设备作为全国新干线铁道ATC系统地面设备的标准。
以后，以1974年新大阪、品川事件为契机，进行了众多的调研，对标准进行了修订，并于1976年6月15日公布实施。
ATC一1D型设备采用了TTL电路和IC等20世纪70年代的电子技术。
实际的故障设计表明，ATC一1D型元器件的故障率较ATC一1B型又下降了1个数量级。
这充分表明，随着电子技术的发展，ATC系统的可靠性得到了进一步的提高。
ATC一1D型地面设备构成框图见图6—8—7。
第三阶段：
是以ATC一1C型、ATC一1W型为代表，它仍以采用微电子（ME）技术为主要特点。
ATC一1G型设备主要是用于1985年新开发的100系全新型新干线列车配套而研制的。
由于新型机车头部形状的变化（变细长），又要保证原有的定员，因而司机室变得更小，这就要求车载ATC设备实现小型化和轻量化。
采用微电子技术就能充分满足此要求。
ATC一1G型设备装载于100系列车，行驶于东海道、山阳新干线。
ATC一1W型地面设备使用于山阳新干线。
它是在山阳新干线的ATC一1B型和全国新干线网ATC一1型的基础上，又考虑到将来能满足350km／h列车高速运行要求，并与现有设备兼用而开发的。
它是采用电源同步SSB、双频组合方式来实现多显示的设备。
由于采用了微处理器进行处理，实现了节能、高性能的目标。
此阶段的特点是在既有新干线（山阳新干线）设备更新时；采用了微电子技术（微机等），而所用的CPU的功能也随着电子技术的飞速发展而不断提高，由8位发展到16位、32位。
以下就有代表性的ATC地面和车载设备类型（ATC—ID、ATC一1G、ATC一1W型）作一介绍。
4．新干线ATC设备主要类型介绍
（1）ATC一1D型地而设备
ATC--1D型地面设备始用于东北、上越新干线，今后将作为全国新干线铁路网的定型设备。
表6—8—2则是ATC—IA、ATC一1B、ATC一1D这3类设备的比较。
（2）ATC一1W型地面设备
现将山阳新下线采用的ATC--IW型地面设备的特点叙述如下：
①采用16位的微机
作为本设备处理中枢的微机采用了16位的CPU，从而能确保设备的小型化和高性能。
采用了在安全性能方面有良好业绩的总线同步串联二重系方式。
②集中处理结合连线
将继电电路构成的结合连线的逻辑，放在一个ROM内。
根据输入的显示图表，该ROM的逻辑能自动完成。
这样要改变显示时，只要更换ROM就很方便地能实现。
此外，由于能将机械室内的所有结合连线进行集中处理，一旦将来更换微机联锁时，有可能用1根电缆的串联接口方式来实现。
③采用1个处理器处理8个轨道电路
采用1个微处理卡，以分时处理的方式来处理8个轨道电路的发送和接收信号，从而在实现了设备小型化的同时提高了可靠性，并降低了成本。
④模拟信号采用数字处理
信号选频滤波器、电平判别、定时等方面采用数字（软件）处理，彻底解决了过去那种因环境变化、长年使用而使特性发生变化的现象，从而实现了性能十分稳定的目标。
⑤发送放大器采用脉冲宽度调制
发送器的功率放大器是采用损失小的脉冲宽度调制的开关放大电路，具有体积小、失真小、省电、特性不会发生变化的优点。
⑥具有接收电子自动补偿功能
由于轨道电路漏泄电阻变化而引起接收电平的变化。
该设备具有对接收电平进行自动补偿的功能，能对20dB范围内的电平波动进行自动追踪补偿。
⑦具有完备的监视功能
由于该设备具有很强的自我诊断功能，它能将故障信息分解得很细，因而容易发现故障部位。
此外，将设备的动作状态、故障详细信息等数据向监视器传送，从而能实现集中监视。
它与第⑥项一起能实现简便维修的目的。
（3）ATC—ID型车载设备
ATC—ID型车载设备与地面设备一样，始用于东北，上越新干线。
ATC一1D型车载设备能够接收双频信息，是以模拟量方式进行处理的接收设备。
其系统的组成见图6—8—8所示。
ATC一1D型接收器采用了双频组合方式，从接收器的输入至信号继电器均采用完全的3套冗余方式（接收感应器仍是单套）。
各部分的作用如下：
①接收感应器功能是接收轨道电路中的ATC信号电流，输送给接收器；
②输入电路是将收到的ATC信号，导频电源、电源地点检测条件等分配到各单元；
③解凋电路是将来自接触网的导频电源作为解调载频，对ATC信号实施同步解调，从而获取调制频率；
④选频放大电路是对各种调制频率进行选频后驱动相应信号显示的主继电器。
（4）ATC一1G型车载设备
ATC一1G型设备是为适应新开发的100系动车组而研究，开发的；它要求设备小型化和轻量化，为此决定采用微屯子技术来实施，并将车载接收器和控制器成为一体。
这是新干线ATC设备最早采用微电子技术的设备。
ATC一1G型车载设备的方框图见图6—8—9。
ATC一1C型车载设备使用数字元件来处理模拟信号，即“信号数字处理”技术得到了应用。
其特点是：
①提高了系统构成效率
将ATC信号选频电路和测速电路与容许信号比较的校核电路合成一体，提高了电路效率和系统可靠度。
②控制设备接口方面
A．采用了根据信号显示输出相应频率作为接口方式，使设备间接线容易：
B．接收电路的输出侧不采用多数表决，而机车信号侧和监控器侧，则可根据需要采用多数表决。
③多数表决逻辑
以往是由车上接收电路采用多数表决输给控制设备，现在则是在控制设备输入端形成多数表决。
④实现了设备小型化和轻量化
由于信号选频、载频发生电路、继电逻辑低位优先电路均用微机实现数字处理，因而使设备实现了小型化和轻量化。
⑤实现了高可靠性和高安全性
由于采用了下述方法，确保了微机的高安全性和高可靠性。
A．2组CPU同步工作，每个运算周期将2组数据进行比较；
B．数据比较电路具有故障安全结构：
．
C．输出电路采用从1组CPU的输出，再输入到2组CPU的输入端进行校核。
ATC一1C型设备已于1984年9月实行了标准化，表6—8—3为ATC一1G型与ATC一1D型的通用性比较。
5．新干线ATC设备的发展动向
新干线的ATC设备自1964年东海道新干线采用以来，相继在山阳，东北、上越新干线采用，30余年间无重大事故，表明了现有ATC系统具有极高的安全性。
其间，如同前面所介绍的那样，由单频发展为双频，增加了信息量，采用了各时期的先进电子技术成果。
但是，ATC系统的基本思想则30年来基本没有变化。
现有ATC系统存在着以下问题：
①由于采用多级制动控制，各速度段内存在制动空走时间，并要考虑富裕距离，难以缩短列车运行间隔时间：
而且地面向列车传输的信息量最大只有36个，信息量少。
②地面闭塞分区长度由列车制动性能决定，制动性能不同的列车在同一线路行驶时，闭塞分区长度只能以制动性能最差的列车为依据，这对制动性能优良的列车而言，难以发挥其最佳效率。
③在提高速度时，需要分配新的速度信号，这样就需对地面设备、车载设备进行必要的改造，增加了成本。
④现有制动采用最大常用制动，影响乘客的乘车舒适度。
此外，现有的双频ATC设备已使用了10余年，若干年后面临设备的更换。
因此，日本铁道综合技术研究所、JR东日本旅客运输公司都在从事新一代ATC设备的研究开发工作。
对新一代的ATC设备提出了以下的要求：
要能够适应高速度、高密度的运行；在进一步提速和提高密度时，地面设备不需要作变动；能够适应加减速性能各异的列车在同一线路区段很好地运行：
提高维修性以及系统要有良好的过渡性：
ATC系统要能够方便地引入运行导向系统等。
目前，采用轨道电路作为传送信息和检测列车位置的数字ATC系统和采用漏泄同轴电缆LCX、以无线方式来传送列车位置和控制信息的LCX--ATC系统正在研究开发中并取得成果。
现就该二类方式介绍如下：
（1）用轨道电路传送信息的数字ATC系统
采用轨道电路作为传送媒体进行数字信息传送的“数字ATC”系统，日本铁道综合技术研究所和JR东日本旅客运输公司都在进行研究和开发。
铁道综合技术研究所研究开发的数字ATC系统已于1995年在JR九州进行了包括制动在内的综合试验。
JR东日本旅客运输公司的智能化ATC设备已安装在上越新干线燕三条一新泻的下行线，车载设备已安装在STAR21高速试验车上，并于1994年进行了实用化的一级制动试验，试验结果表明从地面向车上发送列车控制所必须的数字信息非常成功，利用车上装置进行一段式制动的控制功能发挥也令人满意。
列车停止在预定的停车位置，达到了第一阶段的停车精度，能够适应急速变化的显示，达到了实用水准。
数字式ATC的特点是：
①采用1段式制动控制
所谓1段式制动控制，是从开始制动控制起直到停止前制动一直不缓解，这样空走时间和富裕的距离只存在1次，可以缩短被浪费的运转时间。
而且由于可以根据车辆的制动性能进行控制，就可以提高制动性能好的车辆的运转效率（见图6—8—10）。
②使用轨道传送数字信号
向轨道发送数字信号，现在的ATC从地面向车上发送的最大信息传送量只有36个，而数字ATC已有飞跃性的增加（210以上）。
③列车控制所必需的信息区分
1段式制动所必需的信息可以区分为“固定信息”和“可变信息”。
“固定信息”为线路的坡度、曲线、车站等信息和车辆的信息，“可变信息”为到必须停止地点的距离、列车运行的位置、有临时限制的地点等信息。
从地面向车上发送信号的内容仅限于“可变信息”，“固定信息”预先已在车上设置好。
将依存于车辆的信息作为“固定信息”安装于车上，因此地面装置便不依赖于车辆。
数字ATC的结构如下：
数字ATC装置也分为地面装置和车载装置两部分。
地面装置进行列车检测，并将信息传输给列车；车载装置根据该数据确定能保证列车安全运行的速度。
①地面装置
与现行ATC相同，列车检测也使用轨道电路。
以下述信息形式，向列车传输与前方列车的距离（传输距离信号）；a．目前运行区间的轨道电路固有的轨道电路号；b．前方可以运行的开通区间数（距离信号）；c．车站的出发或到达股道；d．临时限制速度；e．其他。
以时间分隔数据方式传输信息。
具体方法是使用500—3000Hz的频率，以60—300bit／s的速度，反复传输40-60bit的数据。
为确保数据的安全性，信息数据之后附加有检查用CRC数据。
地面装置往车载装置进行数字传输的代码格式为：
特征位，轨道电路号，出发／到达股道，开通区间数，临时限制速度等，CRC码。
②车载装置
车载装置根据来自地面的信息量和各开通区间的长度，求取与前方列车的距离，再根据该计算距离和车载装置拥有的曲线限制、坡度校正、道岔限制等线路数据，以及制动性能、最高允许速度等车辆的性能，计算列车可以运行的速度。
将计算速度与实际速度加以比较，若实际列车速度大于计算速度便进行制动，反之则采取缓解制动措施。
当列车接近前方列车时，车载装置即刻便生成制动曲线。
ATC制动系统根据制动曲线调整制动强度来进行控制（单级制动控制）。
生成制动曲线时可以预先了解实施制动之点（制动预告）。
可以通过轨道电路号和线路数据了解以轨道电路为单位的列车位置：
轨道电路内的列车位置则由车轴转数检测器进行检测。
因为可以在轨道电路分界点进行位置修正，所以不会累积空转／滑行产生的误差（见图6—8—11）。
③线路数据
如上所述，车载装置必须存储线路数据，而线路数据是可能变更的，因此数据保护变得十分重要。
虽然可以考虑采取IC卡片化或ROM化措施，但数据变更时绝不能轻而易举地同时变更列车的全部数据。
因为是维系列车安全运行的数据，错误数据将导致列车事故。
在车辆段出发股道和车站到发线之类列车停车地点，数字ATC使用高频轨道电路，向车载装置高速传输整个区间的线路数据（6—8—12）。
传输的线路数据有：
各轨道电路的起点里程和长度；各轨道电路号的联结顺序；曲线的起点里程、长度和半径；坡道的起点里程、长度和大小；道岔的起点里程、号数、分岔方向：
车站和到达／出发股道的使用道岔；其他速度限制的起点里程、长度；等等。
数字ATC的特征和应用效果：
①能可靠地检测列车。
列车检测和ATC传输使用高安全轨道电路，即使车载装置发生故障，地面装置仍能进行列车检测。
由于由地面装置传输轨道电路号，所以车载装置在电源接通的同时可具体了解列车所在的轨道电路；
②可以检测轨道断裂。
因使用与目前相同的轨道电路，故还能同时进行轨道断裂检测。
③方便地提高行车速度。
数字ATC的地面装置仅传输与前方列车的距离，而由车载装置根据列车的停车距离和线路数据计算最佳运行速度，所以进一步实现高速化目标时，只需变更列车数据即可，不必变更地面装置。
④缩短列车间隔时间。
不采用目前所用的多级制动控制，而采用单级制动控制方式。
因此，即使在现有轨道电路的条件下，也能将列车间隔时间缩短至接近移动闭塞方式的水平。
若进行“光”号列车在新干线小田原车站超越“回声”号列车，在三岛车站所需时间差的计算（现行ATC8min22s，数字ATC6min22s），数字ATC可以将列车间隔时间比现行方式缩短2min。
而即使采用移动闭塞方式（5min59s），也只能再缩短约20s而己。
⑤减少轨道电路数。
为缩短列车间隔时间，需要具体检测列车位置的，仅车站的站台和进入线路而已。
以72kin／h（20m／s）速度运行的列车，2min走行2．4km，所以区间和车站到发线路即使以较长轨道电路进行检测，也不影响列车间隔时间。
区间轨道电路长2km时，只要车站进入线路满足200—500m，便可实现大致相当于移动闭塞方式的2min列车间隔时间的运转。
在6km长的区间，采用6轨道电路，即平均长lkm的轨道电路，就能实现2min列车间隔时间的运转（见图6—8—13）。
即使对地而信号机方式进行改进，也无需重新变更轨道电路。
⑥适用于运行不同列车的区间。
由于采用地面装置传输“距离”信息，由车载装置计算制动曲线的方式，因此也能方便地适用于目前那些运行不同制动性能列车的区间。
能适应不同列车的数字ATC，来自地面装置的信号相同，仅车载装置各异而已。
⑦节省下程费。
由于数字ATC方式可以增加单个轨道电路的长度，所以能减少其数量。
若数量减半，则设备费用随之降低一半。
另外，区间的ATC信息仅需确认前一个轨道电路信息，所以实现ATC化时，并非一定实施设备的集中化不可，只需在轨道电路器材箱中置入ATC接收、发送器，取代原有的设备即可。
而且，在施丁阶段也能用ATC接收、发送器控制信号机。
虽然装置采用单机系统，与数字ATC化无直接关系，但经过各种努力，大约可以将工程费降至传统ATC的一半以下。
（2）采用无线控制列车系统（CARAT）
日本铁道综合技术研究
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